近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微創中心研究員王磊團隊在基于布拉格光柵光纖傳感原理在微創手術的應用——活體組織觸診的研究中實現了活體組織的精準力信息反饋和腫塊信息的定位檢測功能。相關研究成果以Development of a Fiber Bragg Grating-based Force Sensor for Minimally Invasive Surgery ―Case Study of Ex-vivo Tissue Palpation為題，發表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。
隨(sui)著醫(yi)(yi)療(liao)(liao)技(ji)術的(de)(de)(de)(de)(de)快速發(fa)展，微(wei)創(chuang)手(shou)(shou)術（MIS）逐漸成(cheng)(cheng)為現(xian)實(shi)。但是，傳統(tong)手(shou)(shou)術中(zhong)(zhong)發(fa)現(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)些問題仍與MIS有關。例如，在(zai)進行(xing)微(wei)創(chuang)外(wai)科(ke)手(shou)(shou)術期間，醫(yi)(yi)護人(ren)(ren)(ren)員會(hui)暴露在(zai)手(shou)(shou)術室中(zhong)(zhong)發(fa)現(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)放射線和整形外(wai)科(ke)危害中(zhong)(zhong)。引(yin)入機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)輔(fu)助微(wei)創(chuang)手(shou)(shou)術的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術成(cheng)(cheng)為了(le)比傳統(tong)微(wei)創(chuang)手(shou)(shou)術更好的(de)(de)(de)(de)(de)替代方案(an)；然而(er)(er)，機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)輔(fu)助手(shou)(shou)術過程(cheng)中(zhong)(zhong)伴隨(sui)著外(wai)科(ke)醫(yi)(yi)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)觸(chu)(chu)(chu)覺(jue)喪失(shi)。外(wai)科(ke)醫(yi)(yi)生(sheng)(sheng)通過操作機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)來進行(xing)微(wei)創(chuang)手(shou)(shou)術，手(shou)(shou)術期間醫(yi)(yi)生(sheng)(sheng)無(wu)法直接接觸(chu)(chu)(chu)人(ren)(ren)(ren)體組織并且分析(xi)人(ren)(ren)(ren)體器(qi)(qi)(qi)官(guan)，因此(ci)無(wu)法保證(zheng)所(suo)進行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)手(shou)(shou)術的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)性。在(zai)傳統(tong)手(shou)(shou)術過程(cheng)中(zhong)(zhong)，醫(yi)(yi)生(sheng)(sheng)通過觸(chu)(chu)(chu)覺(jue)去(qu)感知器(qi)(qi)(qi)官(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)異常情(qing)況，進而(er)(er)判斷器(qi)(qi)(qi)官(guan)中(zhong)(zhong)是否存在(zai)腫瘤和腫塊。但隨(sui)著醫(yi)(yi)療(liao)(liao)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)普及，這種可(ke)(ke)獲得的(de)(de)(de)(de)(de)觸(chu)(chu)(chu)覺(jue)信(xin)息(xi)尚未(wei)有效集(ji)成(cheng)(cheng)到機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)輔(fu)助的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)創(chuang)手(shou)(shou)術中(zhong)(zhong)，因此(ci)要求機(ji)器(qi)(qi)(qi)需要具(ju)有更高精確度(du)和靈敏(min)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)觸(chu)(chu)(chu)覺(jue)信(xin)息(xi)反饋。深(shen)圳先(xian)進院科(ke)研人(ren)(ren)(ren)員在(zai)此(ci)基礎上(shang)提出一(yi)種用于微(wei)創(chuang)手(shou)(shou)術組織觸(chu)(chu)(chu)診中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)高靈敏(min)度(du)布拉格(ge)光柵(zha)光纖（FBG）傳感方案(an)，與以往的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)容(rong)式(shi)傳感方案(an)不同，光纖傳感器(qi)(qi)(qi)與手(shou)(shou)術期間的(de)(de)(de)(de)(de)磁共振(MR)系統(tong)和成(cheng)(cheng)像系統(tong)兼容(rong)。
為此，研(yan)究設(she)計(ji)了用于(yu)(yu)(yu)微創(chuang)手術的(de)(de)(de)(de)一維遠端力(li)(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)。其中(zhong)，傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)結構(gou)中(zhong)嵌有雙(shuang)光(guang)柵元(yuan)(yuan)件可(ke)用于(yu)(yu)(yu)解(jie)耦(ou)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)在(zai)使(shi)用過程中(zhong)受(shou)到的(de)(de)(de)(de)應(ying)變和(he)溫度(du)交叉影(ying)響，實現更精準(zhun)的(de)(de)(de)(de)力(li)(li)覺(jue)檢測(ce)。研(yan)究中(zhong)，科研(yan)人員基于(yu)(yu)(yu)雙(shuang)光(guang)柵元(yuan)(yuan)件結構(gou)設(she)計(ji)出發，推導出相應(ying)的(de)(de)(de)(de)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)結構(gou)理論(lun)模型。通過fmincon函數(shu)對(dui)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)件進(jin)(jin)行(xing)了基于(yu)(yu)(yu)物理模型的(de)(de)(de)(de)優(you)化設(she)計(ji)，確定了結構(gou)的(de)(de)(de)(de)關鍵參(can)數(shu)。采用有限元(yuan)(yuan)法對(dui)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)件的(de)(de)(de)(de)靜態和(he)動態特(te)性(xing)(xing)(xing)進(jin)(jin)行(xing)分析，在(zai)理論(lun)基礎(chu)上驗(yan)(yan)(yan)(yan)證了該柔(rou)性(xing)(xing)(xing)件的(de)(de)(de)(de)可(ke)行(xing)性(xing)(xing)(xing)。為了進(jin)(jin)一步提(ti)高傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)性(xing)(xing)(xing)能，并(bing)基于(yu)(yu)(yu)前饋神(shen)經網絡(luo)對(dui)數(shu)據(ju)進(jin)(jin)行(xing)標定，該網絡(luo)模型可(ke)精準(zhun)預測(ce)力(li)(li)與波長偏移(yi)量的(de)(de)(de)(de)關系。研(yan)究還進(jin)(jin)行(xing)了溫度(du)補(bu)償(chang)(chang)實驗(yan)(yan)(yan)(yan)，驗(yan)(yan)(yan)(yan)證了雙(shuang)光(guang)柵元(yuan)(yuan)件能夠有效的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)行(xing)溫度(du)解(jie)耦(ou)方(fang)案。實驗(yan)(yan)(yan)(yan)結果表(biao)明，FBG傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)能夠在(zai)1N范圍內感(gan)知力(li)(li)值，平均相對(dui)誤差小于(yu)(yu)(yu)滿量程的(de)(de)(de)(de)2%；溫度(du)補(bu)償(chang)(chang)后的(de)(de)(de)(de)誤差0.8 mN。科研(yan)人員進(jin)(jin)一步對(dui)豬肝(gan)器(qi)(qi)官進(jin)(jin)行(xing)組織觸(chu)診(zhen)實驗(yan)(yan)(yan)(yan)，驗(yan)(yan)(yan)(yan)證所提(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)設(she)計(ji)在(zai)微創(chuang)手術中(zhong)的(de)(de)(de)(de)有效性(xing)(xing)(xing)和(he)適用性(xing)(xing)(xing)。
研(yan)究實現了組(zu)織觸診中(zhong)器官腫塊信(xin)息的(de)(de)精準力反饋和定(ding)位檢測，并提(ti)出了新型的(de)(de)溫度解耦方案和傳感器標定(ding)方法，為(wei)微創手(shou)術(shu)中(zhong)手(shou)術(shu)機(ji)器人的(de)(de)觸覺信(xin)息檢測提(ti)供了有效(xiao)技(ji)術(shu)路線，有望推動手(shou)術(shu)機(ji)器人在(zai)介入式醫(yi)療中(zhong)的(de)(de)手(shou)術(shu)路徑(jing)導航和機(ji)器控制中(zhong)的(de)(de)應用。
研究(jiu)工作得(de)到國(guo)家自然科(ke)學(xue)基金(jin)、深圳(zhen)市科(ke)技計劃等(deng)的資助。
圖1.FBG傳感器的三維圖
圖2.FBG傳感器用于組織觸診檢測實驗圖和數據1FBG傳感器用于組織觸診檢測實驗圖和數據
